Rychlý rozvoj technologie CNC systémů vytvořil podmínky pro technologický pokrok CNC obráběcích strojů. Aby bylo možné uspokojit potřeby trhu a splnit vyšší požadavky moderní výrobní technologie na CNC technologii, současný vývoj světové CNC technologie a jejího vybavení se odráží především v následujících technických vlastnostech:
1. Vysoká rychlost
VývojCNC obráběcí strojeVe směru vysokorychlostního obrábění lze nejen výrazně zlepšit efektivitu obrábění a snížit náklady na obrábění, ale také zlepšit kvalitu obrábění povrchu a přesnost dílů. Technologie ultra vysokorychlostního obrábění má široké uplatnění pro dosažení nízkonákladové výroby ve výrobním průmyslu.
Od 90. let 20. století se země v Evropě, Spojených státech a Japonsku předhánějí ve vývoji a aplikaci nové generace vysokorychlostních CNC obráběcích strojů, což urychluje tempo vysokorychlostního vývoje těchto obráběcích strojů. Nové průlomy byly dosaženy v oblasti vysokorychlostních vřetenových jednotek (elektrické vřeteno, otáčky 15 000–100 000 ot./min), vysokorychlostních a vysokorychlostních komponentů posuvu s vysokým zrychlením/zpomalením (rychlost posuvu 60–120 m/min, rychlost řezného posuvu až 60 m/min), vysoce výkonných CNC a servo systémů a CNC nástrojových systémů, čímž se dosáhlo nové technologické úrovně. Díky řešení klíčových technologií v řadě technických oblastí, jako jsou ultrarychlostní řezné mechanismy, ultratvrdé a odolné nástrojové materiály s dlouhou životností a abrazivní brusné nástroje, vysoce výkonná vysokorychlostní elektrická vřetena, komponenty posuvu poháněné lineárním motorem s vysokým zrychlením/zpomalením, vysoce výkonné řídicí systémy (včetně monitorovacích systémů) a ochranná zařízení, byl poskytnut technický základ pro vývoj a aplikaci nové generace vysokorychlostních CNC obráběcích strojů.
V současné době dosahuje při ultrarychlostním obrábění řezná rychlost soustružení a frézování přes 5000–8000 m/min; otáčky vřetena jsou nad 30 000 ot/min (některé mohou dosáhnout až 100 000 ot/min); rychlost pohybu (posuv) pracovního stolu: nad 100 m/min (některé až 200 m/min) při rozlišení 1 mikrometr a nad 24 m/min při rozlišení 0,1 mikrometru; automatická výměna nástroje do 1 sekundy; rychlost posuvu pro interpolaci malých linií dosahuje 12 m/min.
2. Vysoká přesnost
VývojCNC obráběcí strojeOd přesného obrábění k ultrapřesnému obrábění je směr, kterým se ubírají průmyslové velmoci po celém světě. Jeho přesnost sahá od mikrometrové po submikronovou, a dokonce i nanometrovou (<10 nm) a jeho rozsah použití se stále rozšiřuje.
V současné době se v důsledku požadavků na vysoce přesné obrábění zvýšila přesnost obrábění běžných CNC obráběcích strojů z ± 10 μm na ± 5 μm. Přesnost obrábění u přesných obráběcích center se pohybuje od ± 3 do 5 μm, což se může zvýšit na ± 1–1,5 μm. Ještě vyšší hodnota je vyšší. Přesnost ultra přesného obrábění dosáhla nanometrové úrovně (0,001 mikrometru) a přesnost otáčení vřetena musí dosáhnout 0,01–0,05 mikrometru s kruhovitostí obrábění 0,1 mikrometru a drsností obráběného povrchu Ra=0,003 mikrometru. Tyto obráběcí stroje obecně používají vektorově řízená elektrická vřetena s proměnnou frekvencí (integrovaná s motorem a vřetenem) s radiálním házením vřetena menším než 2 µm, axiálním posunem menším než 1 µm a nevyvážeností hřídele dosahující úrovně G0,4.
Pohon posuvu vysokorychlostních a vysoce přesných obráběcích strojů zahrnuje hlavně dva typy: „rotační servomotor s přesným vysokorychlostním kuličkovým šroubem“ a „lineární motor s přímým pohonem“. Kromě toho se u nově vznikajících paralelních obráběcích strojů také snadno dosahuje vysokorychlostního posuvu.
Díky své vyspělé technologii a širokému použití dosahují kuličkové šrouby nejen vysoké přesnosti (ISO3408 úroveň 1), ale také relativně nízkých nákladů na dosažení vysokorychlostního obrábění. Proto se dodnes používají v mnoha vysokorychlostních obráběcích strojích. Současný vysokorychlostní obráběcí stroj poháněný kuličkovým šroubem má maximální rychlost pohybu 90 m/min a zrychlení 1,5 g.
Kuličkový šroub patří k mechanickým převodům, které během přenosu nevyhnutelně zahrnují elastickou deformaci, tření a zpětnou vůli, což vede k hysterezi pohybu a dalším nelineárním chybám. Aby se eliminoval dopad těchto chyb na přesnost obrábění, byl v roce 1993 u obráběcích strojů použit přímý pohon lineárním motorem. Protože se jedná o „nulový převod“ bez mezičlánků, má nejen malou setrvačnost pohybu, vysokou tuhost systému a rychlou odezvu, ale také umožňuje dosahovat vysokých rychlostí a zrychlení a délka zdvihu je teoreticky neomezená. Přesnost polohování může dosáhnout vysoké úrovně i působením vysoce přesného systému zpětné vazby polohy, což z něj činí ideální způsob pohonu pro vysokorychlostní a vysoce přesné obráběcí stroje, zejména pro střední a velké obráběcí stroje. V současné době dosáhla maximální rychlost vysokorychlostních a vysoce přesných obráběcích strojů s lineárními motory 208 m/min se zrychlením 2g a stále je prostor pro další vývoj.
3. Vysoká spolehlivost
S rozvojem síťových aplikacíCNC obráběcí strojeVysoká spolehlivost CNC obráběcích strojů se stala cílem, který sledují výrobci CNC systémů a CNC obráběcích strojů. Pro bezobslužnou továrnu, která pracuje na dvě směny denně, pokud je požadována nepřetržitá práce obvykle do 16 hodin s bezporuchovou mírou P(t)=99 % nebo více, musí být průměrná doba mezi poruchami (MTBF) CNC obráběcího stroje větší než 3000 hodin. Pouze pro jeden CNC obráběcí stroj je poměr poruchovosti mezi hostitelským systémem a CNC systémem 10:1 (spolehlivost CNC je o řád vyšší než u hostitelského systému). V tomto bodě musí být MTBF CNC systému větší než 33333,3 hodiny a MTBF CNC zařízení, vřetena a pohonu musí být větší než 100000 hodin.
Hodnota MTBF současných zahraničních CNC zařízení dosáhla více než 6000 hodin a pohonné zařízení více než 30 000 hodin. Je však zřejmé, že od ideálního cíle stále existuje mezera.
4. Skládání úroků
V procesu obrábění dílů se spotřebovává velké množství zbytečného času manipulací s obrobkem, nakládáním a vykládáním, instalací a seřizováním, výměnou nástrojů a zvyšováním a snižováním otáček vřetena. Aby se tyto zbytečné časy co nejvíce minimalizovaly, lidé se snaží integrovat různé obráběcí funkce na jednom obráběcím stroji. Proto se v posledních letech rychle rozvíjejícím modelem staly obráběcí stroje se složenými funkcemi.
Koncept obrábění kompozitních dílů obráběcími stroji v oblasti flexibilní výroby se vztahuje ke schopnosti obráběcího stroje automaticky provádět víceprocesní obrábění stejnými nebo různými typy procesních metod podle CNC obráběcího programu po upnutí obrobku v jednom kroku, za účelem dokončení různých obráběcích procesů, jako je soustružení, frézování, vrtání, vyvrtávání, broušení, řezání závitů, vystružování a roztahování složitého tvaru dílu. Pokud jde o prizmatické díly, obráběcí centra jsou nejtypičtějšími obráběcími stroji, které provádějí víceprocesní obrábění kompozitních dílů za použití stejné procesní metody. Bylo prokázáno, že obrábění kompozitních dílů obráběcími stroji může zlepšit přesnost a efektivitu obrábění, ušetřit místo a zejména zkrátit obráběcí cyklus dílů.
5. Polyaxializace
S popularizací 5osých CNC systémů s řazením a programovacího softwaru se 5osá obráběcí centra s řazením a CNC frézky (vertikální obráběcí centra) staly aktuálním tématem vývoje. Díky jednoduchosti 5osého řízení řazení v CNC programování pro kulové frézy při obrábění volných ploch a schopnosti udržovat rozumnou řeznou rychlost pro kulové frézy během frézování 3D ploch se výrazně zlepšuje drsnost obráběného povrchu a zvyšuje se účinnost obrábění. U 3osých obráběcích strojů s řazením je však nemožné zabránit tomu, aby se konec kulové frézy s řeznou rychlostí blízkou nule podílel na obrábění. Proto se 5osé obráběcí stroje s řazením staly středem aktivního vývoje a konkurence mezi hlavními výrobci obráběcích strojů díky svým nenahraditelným výkonnostním výhodám.
V poslední době se v zahraničí stále provádí výzkum v oblasti šestiosého řízení s využitím nerotačních řezných nástrojů v obráběcích centrech. Přestože tvar obrábění není omezen a hloubka řezu může být velmi malá, účinnost obrábění je příliš nízká a je obtížné ji prakticky realizovat.
6. Inteligence
Inteligence je hlavním směrem rozvoje výrobních technologií v 21. století. Inteligentní obrábění je typ obrábění založený na řízení neuronovými sítěmi, fuzzy řízení, technologii digitálních sítí a teorii. Jeho cílem je simulovat inteligentní činnosti lidských expertů během procesu obrábění, aby se vyřešilo mnoho nejistých problémů, které vyžadují manuální zásah. Obsah inteligence zahrnuje různé aspekty CNC systémů:
Usilovat o inteligentní efektivitu a kvalitu zpracování, jako je adaptivní řízení a automatické generování procesních parametrů;
Pro zlepšení jízdního výkonu a usnadnění inteligentního propojení, jako je dopředné řízení, adaptivní výpočet parametrů motoru, automatická identifikace zátěže, automatický výběr modelů, samoladění atd.;
Zjednodušené programování a inteligentní provoz, jako je inteligentní automatické programování, inteligentní rozhraní člověk-stroj atd.;
Inteligentní diagnostika a monitorování usnadňují diagnostiku a údržbu systému.
Ve světě je zkoumáno mnoho inteligentních řezacích a obráběcích systémů, mezi nimiž jsou reprezentativní inteligentní obráběcí řešení pro vrtání od Japonské asociace pro výzkum inteligentních CNC zařízení.
7. Networking
Síťové řízení obráběcích strojů se týká především síťového připojení a síťového řízení mezi obráběcím strojem a dalšími externími řídicími systémy nebo nadřazenými počítači prostřednictvím vybaveného CNC systému. CNC obráběcí stroje se obvykle nejprve připojují k výrobnímu místu a interní síti LAN podniku a poté se připojují k vnějšímu prostředí podniku prostřednictvím internetu, což se nazývá internetová/intranetová technologie.
S rozvojem síťových technologií v poslední době průmysl navrhl koncept digitální výroby. Digitální výroba, známá také jako „e-výroba“, je jedním ze symbolů modernizace strojírenských podniků a standardní metodou dodávek pro mezinárodní výrobce pokročilých obráběcích strojů. S rozšířeným zaváděním informačních technologií stále více domácích uživatelů vyžaduje při dovozu CNC obráběcích strojů vzdálené komunikační služby a další funkce. Na základě rozšířeného zavádění CAD/CAM strojírenské podniky stále častěji používají CNC obráběcí zařízení. Aplikační software CNC se stává stále bohatším a uživatelsky přívětivějším. Virtuální návrh, virtuální výroba a další technologie jsou stále více využívány inženýrským a technickým personálem. Nahrazení složitého hardwaru softwarovou inteligencí se stává důležitým trendem ve vývoji moderních obráběcích strojů. S cílem digitální výroby se prostřednictvím reengineeringu procesů a transformace informačních technologií objevila řada pokročilých softwarů pro řízení podniku, jako je ERP, což podnikům vytváří vyšší ekonomické výhody.
8. Flexibilita
Trend CNC obráběcích strojů směrem k flexibilním automatizačním systémům spočívá v rozvoji od bodového (CNC samostatný stroj, obráběcí centrum a CNC kombinovaný obráběcí stroj), linkového (FMC, FMS, FTL, FML) k povrchovému (nezávislý výrobní ostrov, FA) a tělesovému (CIMS, distribuovaný síťově integrovaný výrobní systém) a na druhé straně se zaměřením na aplikaci a ekonomiku. Technologie flexibilní automatizace je hlavním prostředkem pro výrobní průmysl, jak se přizpůsobit dynamickým požadavkům trhu a rychle aktualizovat produkty. Je to hlavní trend rozvoje výroby v různých zemích a základní technologie v oblasti pokročilé výroby. Zaměřuje se na zlepšení spolehlivosti a praktičnosti systému s cílem snadného propojení a integrace; klade důraz na vývoj a zdokonalování jednotkové technologie; CNC samostatný stroj se vyvíjí směrem k vysoké přesnosti, vysoké rychlosti a vysoké flexibilitě; CNC obráběcí stroje a jejich flexibilní výrobní systémy lze snadno propojit s CAD, CAM, CAPP, MTS a vyvíjet se směrem k integraci informací; rozvoj síťových systémů směrem k otevřenosti, integraci a inteligenci.
9. Ekologizace
Obráběcí stroje 21. století musí upřednostňovat ochranu životního prostředí a úsporu energie, tj. dosáhnout ekologizace řezných procesů. V současné době se tato zelená technologie zpracování zaměřuje především na nepoužívání řezné kapaliny, a to především proto, že řezná kapalina nejen znečišťuje životní prostředí a ohrožuje zdraví pracovníků, ale také zvyšuje spotřebu zdrojů a energie. Suché řezání se obvykle provádí v atmosféře, ale zahrnuje také řezání ve speciálních plynových atmosférách (dusík, studený vzduch nebo za použití technologie suchého elektrostatického chlazení) bez použití řezné kapaliny. U některých metod obrábění a kombinací obrobků je však v současné době v praxi obtížné aplikovat suché řezání bez použití řezné kapaliny, proto se objevilo kvazisuché řezání s minimálním mazáním (MQL). V současné době 10–15 % velkoobjemového mechanického obrábění v Evropě používá suché a kvazisuché řezání. U obráběcích strojů, jako jsou obráběcí centra, které jsou navrženy pro více metod obrábění/kombinací obrobků, se používá hlavně kvazisuché řezání, obvykle vstřikováním směsi extrémně malého množství řezného oleje a stlačeného vzduchu do řezné oblasti dutým kanálem uvnitř vřetena stroje a nástroje. Mezi různými typy obráběcích strojů na kov je pro suché řezání nejčastěji používána odvalovací fréza na ozubení.
Stručně řečeno, pokrok a rozvoj technologie CNC obráběcích strojů vytvořily příznivé podmínky pro rozvoj moderního výrobního průmyslu a podpořily rozvoj výroby směrem k humanizovanějšímu směru. Lze předvídat, že s rozvojem technologie CNC obráběcích strojů a jejich širokým využitím přinese výrobní průmysl hlubokou revoluci, která může otřást tradičním výrobním modelem.